Inne wpisy z tej serii:
Co zawdzięczamy wirusom (2): bakteriofagi, czyli wielopoziomowa gra strategiczna
Co zawdzięczamy wirusom (3): podstępni włamywacze, czyli wirusy w stylu retro
Co zawdzięczamy wirusom (4): dygresja o naszym genomie i ukrytych w nim wirusach
Co zawdzięczamy wirusom (5): nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło
Co zawdzięczamy wirusom (6): nowy obraz ewolucji życia

Czy toto żyje?

Podręczniki biologii poświęcają wirusom po kilka stron, zwykle wyłączając je ze świata istot żywych. Powód jest dobrze znany. Z jednej strony – wirusy zawierają informację genetyczną, zapisaną na niciach kwasów nukleinowych (DNA lub RNA); używają przy tym tego samego uniwersalnego kodu genetycznego, co organizmy żywe; zdolne są do replikacji, czyli tworzenia swoich kopii potomnych, i do ewolucji, bo mutacje wirusowych genomów powstające od czasu do czasu wskutek niedoskonałości kopiowania podlegają działaniu stale obecnych sił napędowych ewolucji – doboru naturalnego i dryfu losowego. Można je zatem klasyfikować podobnie jak żywe organizmy, dzieląc je na szczepy/gatunki pogrupowane w większe jednostki systematyczne na podstawie pochodzenia od wspólnego przodka. Z drugiej strony – wirusy nie generują energii ani nie produkują potrzebnych związków w cyklach reakcji biochemicznych; nie mają budowy komórkowej, środowiska wewnętrznego ani mechanizmów jego samoregulacji (homeostazy). Brak metabolizmu oraz zdolności do samodzielnej replikacji uważa się zazwyczaj za dowód, że wirusy nie są żywymi organizmami. Według tego poglądu wirusy tylko częściowo spełniają listę warunków składających się na definicję „życia”. Brakuje im minimum autonomii wymaganej od istot żywych.

Jest jednak i trzecia strona. Wirusy są bardzo aktywnymi uczestnikami ewolucji życia na Ziemi, a ze względu na swoją liczebność stanowią być może największy zasób eksperymentalnych innowacji genetycznych, z którego mogą czerpać także „prawdziwe” organizmy. Każdy wirus to osobny genom, a ich ogólną liczbę na Ziemi ocenia się (oczywiście z dużym marginesem niepewności) na kilkadziesiąt kwintylionów (1 kwintylion = 10³⁰). Jest to mniej więcej o rząd wielkości więcej niż liczba wszystkich osobników wszystkich gatunków organizmów komórkowych (wśród których zresztą ogromą większość stanowią prokarionty, zwłaszcza bakterie). Oznacza to, że w żadnym razie nie można ignorować roli wirusów w globalnym obiegu informacji genetycznej. Wirus to może mniej niż pełnoprawny organizm, ale na pewno więcej niż zlepek molekuł.

Z czego się toto składa?

Najistotniejszym składnikiem wirusa jest genom, czyli nić DNA lub RNA zawierająca od około tysiąca do 2,5 mln nukleotydów. Genomy wielu wirusów składają się z pojedynczej, a nie podwójnej nici kwasu nukleinowego. W przypadku jednoniciowego RNA istotna jest jego polarność: może ona być dodatnia (materiał wirusa może zostać wykorzystany wprost jako RNA matrycowe, czyli mRNA) lub ujemna (nić komplementarna do mRNA, która przed translacją musi zostać przepisana na nić o polarności dodatniej). Najmniejsze znane genomy wirusowe zawierają tylko dwa geny kodujące białka; największe (Pandoravirus salinus) – ok. 2,5 tysiąca genów (typowe wirusy kodują od kilkunastu do kilkudziesięciu białek).

Drugi składnik wirusa to opakowanie genomu: płaszcz zbudowany z białek, zwany kapsydem, skomponowany z powtarzalnych modułów (kapsomerów), ułożonych w symetryczną strukturę (zwykle dwudziestościan foremny lub helisę). Niektóre wirusy mają bardziej skomplikowane kapsydy, wyposażone w dodatkowe elementy, jak np. ogonki bakteriofagów, przez które wirus wstrzykuje do komórki bakteryjnej swój materiał genetyczny. Kapsyd chroni genom wirusa podczas transmisji (między opuszczeniem jednej komórki a wtargnięciem do innej) i oddziałuje z komórką gospodarza, umożliwiając wirusowi przeniknięcie do jej wnętrza. U niektórych wirusów (przykładem jest nasz dobry znajomy SARS-CoV-2) kapsyd osłonięty jest dodatkowo otoczką lipidową, z której wystają charakterystyczne wypustki (kolce) zbudowane z glikoprotein.

We wnętrzu wirusa nie zachodzą żadne procesy biochemiczne, żadne przemiany materii ani energii. Wirus biernie korzysta z różnych zewnętrznych „środków lokomocji” w poszukiwaniu swojej ofiary i uktywnia się („ożywa”) dopiero wtedy, gdy ją znajdzie. Genom wirusa zawiera geny pozwalające wyprodukować komponenty kapsydu, ale sam wirus nie dysponuje maszynerią transkrypcyjną i translacyjną potrzebną, żeby na podstawie informacji genetycznej zsyntetyzować białka strukturalne i enzymy niezbędne, by zbudować swoje kopie, zamknąć je w kapsydach i pomóc im opuścić komórkę. Korzysta z wyposażenia żywiciela i jego energii metabolicznej.

Skąd się toto wzięło?

Wirusy są pasożytami ekstremalnymi, całkowicie zależnymi od zasobów gospodarza. Nie są jednak pod tym względem aż tak wyjątkowe, jak mogłoby się zdawać. Obligatoryjne pasożytnictwo lub endosymbioza często prowadzą do zależności tak ścisłej, że pasożyt lub symbiont przestaje być zdolny do samodzielnej egzystencji. Może „odchudzić” swoje DNA, pozbywając się genów kodujących to, czego i tak dostarczyć może gospodarz. Mitochondria organizmów eukariotycznych to prastare alfaproteobakterie, które zachowały tylko fragment swojego pierwotnego genomu, resztę tracąc na rzecz DNA zawartego w jądrze gospodarza. W ten sposób porzuciły samodzielność, stając się organellami komórki żywicielskiej. Ich metabolizm został podporządkowany potrzebom gospodarza. Podobnie ma się rzecz z plastydami (takimi jak chloroplasty roślin), które pochodzą od „udomowionych” cyjanobakterii. W mniej skrajnych przypadkach – np. opisywanych na naszym blogu pasożytniczych parzydełkowców (Myxozoa) – pasożyt pozostaje odrębnym organizmem, ale nie może istnieć samodzielnie  w innej postaci niż spory pozwalające mu się przemieszczać między gospodarzami. Choć jest z pochodzenia zwierzęciem, morfologicznie przypomina jednokomórkowe protisty. Jeden z gatunków Myxozoa utracił nawet mitochondria.

Skoro całkowite uzależnienie od gospodarza i utrata genów niezbędnych do samodzielnego przeżycia nie jest niczym niezwykłym wśród organizmów pasożytniczych lub symbiotycznych, można by bronić punktu widzenia, że środowisko komórki zainfekowanej przez wirusa, który potrafi wykorzystywać jej metabolizm i maszynerię trankrypcyjno-translacyjną do własnych celów, jest – obok płaszcza białkowego – jego fenotypem, tyle że „rozszerzonym” (aby przywołać pojęcie spopularyzowane przez jedną z książek Richarda Dawkinsa). Patrick Forterre, francuski mikrobiolog (notabene autor ogólnie dziś znanego skrótu LUCA, oznaczającego ostatniego wspólnego przodka współczesnych organizmów), zaproponował pojęcie „wirocelu” (virocell) na określenie komórki przekształconej pod wpływem infekcji wirusowej w organizm, którego celem staje się zreplikowanie wirusa. Utożsamia on wirocel z „żywą fazą” istnienia wirusa, podczas gdy wirion (czyli wirus istniejący poza komórką) stanowi fazę nie martwą, ale po prostu przejściowo nieaktywną, tak jak nasiona, zarodniki lub przetrwalniki innych organizmów.

Czy można sobie zatem wyobrazić, że wirusy powstały z dawnych jednokomórkowych pasożytów, u których tendencja do uproszczenia budowy i utraty samodzielności zaszła tak daleko, że znikła sama komórka, a pozostał tylko genom w opakowaniu ochronnym? Nie jest to wykluczone, ale  istnieją też inne hipotezy dotyczące pochodzenia wirusów. Niektórzy badacze widzą w nich „zdziczałe” fragmenty genomu organizmów komórkowych, przypominające transpozony („skaczące geny”), czyli sekwencje DNA, które mogą aktywnie wbudowywać swoje kopie w innych lokalizacjach w genomie komórki – tyle że wirusy rozwinęły zdolność do ucieczki z komórki i infekowania nowych komórek żywicielskich. Jeszcze inna hipoteza zakłada, że wirusy są starsze niż LUCA i wyewoluowały równolegle z formami komórkowymi jako pasożytnicze, „samolubne” replikatory. Mogły też przy okazji pełnić jakieś funkcje korzystne z punktu widzenia ewolucji praorganizmów, np. jako czynniki zapewniające horyzontalny transfer genów.

Ponieważ wirusy stanowią bardzo różnorodną klasę bytów (rozmaitość cykli życiowych i poziomu złożoności, różne formy nośnika informacji genetycznej), nasuwa się podejrzenie, że powstawały kilkakrotnie w różny sposób. Na pewno od miliardów lat koewoluują ze swoimi gospodarzami i dostosowują się do ich cech szczególnych, ale nie jest jasne, dlaczego na przykład co najmniej połowa wirusów roślinnych używa jednoniciowego RNA o polarności dodatniej, podczas gdy ogromna większość bakteriofagów (wirusów atakujących bakterie), a także około jednej trzeciej wirusów zwierzęcych – dwuniciowego DNA. Wirusy tego drugiego typu prawie nigdy nie infekują roślin lądowych. Wirusy RNA bardzo rzadko pasożytują na bakteriach i nigdy (wg obecnego stanu wiedzy) na archeowcach, a z kolei ok. trzech czwartych wirusów atakujących grzyby zawiera dwuniciowe RNA.

Na czyj koszt toto istnieje?

Czasem ten sam gatunek wirusa może infekować eukarionty tak odległe od siebie ewolucyjnie jak roślina i zwierzę, jeśli są z sobą blisko związane ekologicznie (co ułatwia transmisję), ale nie znamy przypadku, żeby bakteriofagi atakowały eukarionta (np. człowieka, pantofelka lub brzozę). Retrowirusy (o których będzie jeszcze mowa) odniosły szczególny sukces ewolucyjny jako pasożyty kręgowców. Wirusy olbrzymie – fascynująca grupa, wśród której można spotkać gatunki przewyższające rozmiarami, objętością genomu i liczbą genów niektóre bakterie – pasożytują głównie na jednokomórkowych eukariontach, np. na pełzakach. Ale niektóre z wirusów olbrzymich (choć nie te największe) atakują zwierzęta. Spośród gatunków o szczególnie złej sławie można tu wymienić rodzaj Orthopoxvirus (pasożytujący na ssakach i owadach, a wywołujący różne typy ospy – prawdziwej, nie wietrznej) oraz ASFV, czyli wirusa afrykańskiego pomoru świń. Żywicielami w jego cyklu życiowym w ojczystej Afryce równikowej były (naprzemiennie) różne lokalne gatunki dzikich świń i pasożytujące na nich kleszcze z rodzaju Ornithodoros. Istnieją nawet wirusy pasożytujące na innych wirusach, tzw. wirofagi. Aby się zreplikować, potrzebują obecności w komórce żywicielkiej innego wirusa, zwykle jednego z wirusów olbrzymich, przy czym blokują albo osłabiają jego zdolność do replikacji, „kradnąc” jej produkty pośrednie.

We wcześniejszym wpisie na naszym blogu Agnieszka Szuster-Ciesielska prezentowała zadziwiająco wyrafinowane manipulacje używane przez wirusy o złożonym cyklu życiowym, aby zmaksymalizować prawdopodobieństwo, że  zakażony żywiciel (ssak) zostanie ukąszony przez komara, który następnie – sam zakażony – przeniesie wirusa na kolejne ssaki.

Wirusy kojarzą się z chorobami zakaźnymi, a ponieważ szybko mutują i potrafią się przystosować do zmiany gospodarza, mogą niespodziewanie pojawić się jakby znikąd, bez uprzedzenia, zastając ludzkość nieprzygotowaną na nowy dla naszego gatunku, groźny patogen. Wszycy doświadczyliśmy tego w sposób dramatyczny podczas pandemii COVID-19, której sprawcą był SARS-CoV-2, jeden z wirusów z pojedynczą nicią RNA o polarności dodatniej (fakt istotny dla opracowania szczepionek opartych na mRNA). Przy tej okazji wzrosła wiedza przeciętnego konsumenta informacji naukowej o tym, czym jest wirus,  czym się różni np. od bakterii i dlaczego chorób wirusowych nie leczy się antybiotykami. Nadal jednak zainteresowanie wirusami ogranicza się przeważnie do kwestii zdrowotnych, jako że zarówno nasz układ odpornościowy, jak i medycyna prowadzą z nimi nieustanną walkę i wyścig zbrojeń. Pierwsze skojarzenia ze słowem wirus to szczepionki, odporność, zachorowania i hospitalizacje. Tymczasem świat wirusów to coś więcej niż choroby. W miniserii, której pierwszym odcinkiem jest niniejszy wpis, przyjrzymy się mało znanym aspektom biologicznego znaczenia wirusów. Zobaczymy też, że wirusy nie zawsze są naszymi wrogami.

Notka historyczno-językowa

W klasycznej łacinie słowo vīrus (o bardzo szacownym rodowodzie indoeuropejskim) oznaczało jad, truciznę, smród lub mętną, śluzowatą ciecz. Było ono (mimo końcówki -us) rodzaju nijakiego i odznaczało się niepoliczalnością (nie miało liczby mnogiej, a w przypadkach innych niż mianownik i biernik (o identycznej formie) używane było rzadko. Od XVIII w. adoptował je język naukowy jako określenie czynników infekcyjnych, o których naturze jeszcze niewiele wiedziano. Pionierzy wakcynologii, od średniowiecznych lekarzy chińskich przez Edwarda Jennera i Ludwika Pasteura, walczyli z chorobami wirusowymi, nie mając pojęcia, kim jest ich przeciwnik – niewidoczny nawet pod mikroskopem optycznym. Dopiero dzięki badaniom Dymitra Iwanowskiego i Martinusa Beijerincka pod koniec XIX w. zrozumiano, że mamy do czynienia z czymś innym niż bakterie chorobotwórcze i zaczęto używać słowa virus w sensie zbliżonym do współczesnego. Po raz pierwszy bezpośrednio zaobserwowano wirusy pod mikroskopem elektronowym w 1938 r. Aż trudno w to uwierzyć, ale w pełni współczesną koncepcję „wirusa” (wraz z zarysem klasyfikacji znanych wirusów) sformułował dopiero w 1957 r. francuski biolog molekularny André Lwoff (Nobel 1965).

W języku polskim wirus ze względu na końcówkę został uznany za rzeczownik rodzaju męskiego. Ściśle rzecz biorąc, waha się, jeśli chodzi o odmianę, między rodzajem męskim ożywionym nieosobowym a męskim nieożywionym. Oznacza to, że jego biernik może przybierać tę samą formę co dopełniacz (wirusa) lub mianownik (wirus). Puryści językowi często nalegają na stosowanie formy biernika wirus w języku formalnym i w mediach, jednak w faktycznym użyciu zdecydowanie (nawet w stylu naukowym) dominuje forma wirusa. Jest to także moja osobista preferencja.

Lektura dodatkowa

Hipotezy na temat pochodzenia wirusów: https://www.nature.com/scitable/topicpage/the-origins-of-viruses-14398218/
Koncepcja wirocelu: https://www.nature.com/articles/ismej2012110
Wirusy a główne grupy organizmów: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2014.00194/full
Historia pojęcia – André Lwoff (1957) o wirusach: https://www.microbiologyresearch.org/content/journal/micro/10.1099/00221287-17-2-239

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Schemat budowy wirusa Ebola (ZEBOV) wywołującego gorączkę krwotoczną – najgroźniejszego z pięciu znanych gatunków rodzaju Ebolavirus. Autor: David Goodsell – RCSB PDB Molecule of the Month. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY 3.0).
Ryc. 2. Bakteriofag T-4, zakażający bakterie Escherichia coli. Jest to jeden z najlepiej poznanych wirusów, służący badaczom jako „gatunek modelowy”. Autor: Victor Padilla-Sanchez. Źródło: Wikimedia (licencja CC BY-SA 4.0).
Ryc. 3. Szczegółowa rekonstrukcja skomplikowanej, pięciowarstwowej budowy wirusa afrykańskiego pomoru świń (ASFV). Należy on do wirusów olbrzymich (jego genom koduje prawie 200 białek, w tym co najmniej 68 strukturalnych i ponad 100 niestrukturalnych, zaangażowanych w replikację wirusa wewnątrz komórki żywicielskiej). Źródło: Chińska Akademia Nauk (fair use).